CN220252272U - 一种光学系统及检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学系统及检测装置。一种光学系统，包括：第一探测器、第二探测器，第一探测器、第二探测器分别通过第一成像光路、第二成像光路对被测物进行聚焦取像；第一成像光路聚焦于被测物表面的第一检测高度，第二成像光路聚焦于被测物表面的第二检测高度；以及楔形镜组，楔形镜组设于第一成像光路中，用于改变第一成像光路的光程，以使第一检测高度和第二检测高度不同。一种检测装置，包括：承载台，承载台用于承载被测物；光学系统，光学系统即上述光学系统，用于对被测物进行光学检测；以及驱动装置，驱动装置用于带动光学系统移动以实现对被测物不同部位的成像。本实用新型解决了光学系统不能对被测物的不同厚度位置同时成像的问题。

Description

一种光学系统及检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学系统及检测装置。

背景技术

光刻机的工作模式是：逐一曝光一片晶圆上所有的场，然后更换晶圆，直至曝光完所有的晶圆，再更换掩模，接着在各晶圆上曝光第二层图形。其中，第二层掩模曝光的图形需要和第一层掩模曝光的图形准确地套叠在一起，故称之为套刻。晶圆的套刻误差是指当前层和前层之间的对齐误差，这种对齐误差通常需要利用高倍显微镜进行测量。

然而，高倍显微镜的焦深(使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于某一平面上的各点可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大可以看到被检物体的全层，而焦深小则只能看到被检物体的一薄层。)通常都非常小，不能同时对厚胶的两层清晰地成像。因此，当两层间高度差超过一定阈值后，通常会采用分时成像的方式，分别对当前层和前层进行对焦。

若采用分时成像的方式进行检测，需要光学系统移动两次，这样会严重影响测量的速度。另外，分时成像还需要避免光学系统移动时的振动影响到两次成像点的坐标位置，进而影响到两次成像的合成，因此对系统的稳定性提出了非常高的要求。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是现有的光学系统不能对被测物的不同厚度位置同时成像的问题。

第一方面，本实用新型提供了一种光学系统。

一种光学系统，包括：

第一探测器、第二探测器，所述第一探测器、第二探测器分别通过第一成像光路、第二成像光路对被测物进行聚焦取像；所述第一成像光路聚焦于所述被测物表面的第一检测高度，所述第二成像光路聚焦于所述被测物表面的第二检测高度；

楔形镜组，所述楔形镜组设于所述第一成像光路和/或第二成像光路中，用于改变所述第一成像光路和第二成像光路之间的光程差，以使所述第一检测高度和第二检测高度不同。

在一种技术方案中，所述楔形镜组包括两个楔形镜体，各所述楔形镜体均具有相背布置的直面和坡面；两个所述楔形镜体沿所述第一成像光路叠加，两个所述楔形镜体的坡面相对布置，且两个所述楔形镜体的直面倾斜于所述第一成像光路的光轴。

在一种技术方案中，至少一个所述楔形镜体沿自身坡面的倾斜延伸方向活动设置，活动设置的所述楔形镜体用于改变所述第一成像光路的光程，进而调节所述第一成像光路聚焦于所述被测物表面的第一检测高度。

在一种技术方案中，还包括压电驱动器，所述压电驱动器用于驱动至少一个所述楔形镜体沿自身坡面的倾斜延伸方向进行平移。

在一种技术方案中，所述被测物具有不同空间高度的第一层标识和第二层标识，所述空间高度为沿入射至待测物表面的光束的入射方向，所述被测物表面的第一检测高度被配置为所述第一层标识的空间高度，所述第二检测高度被配置为所述第二层标识的空间高度。

在一种技术方案中，设所述第一层标识和所述第二层标识的空间高度差为δ，所述第一成像光路的放大倍率为N，则所述楔形镜组对所述第一成像光路的光程改变量被配置为L＝δ*N²。

在一种技术方案中，所述第一成像光路和所述第二成像光路的部分光路重合，在重合的光路上设有成像镜组和分光元件；所述成像镜组用于获取所述被测物表面发射检测光束，根据检测光束对待测物进行成像并产生出射光束；

所述分光元件用于分配一部分所述出射光束沿所述第一成像光路穿过所述楔形镜组至所述第一探测器，以及分配又一部分所述出射光束沿所述第二成像光路至所述第二探测器。

在一种技术方案中，所述成像镜组包括物镜和管镜。

在一种技术方案中，还包括照明光路，所述照明光路同轴设于所述第一成像光路和所述第二成像光路的一个光路中，或者环绕设于所述被测物的周侧；所述照明光路用于产生照明光束并照射所述被测物，以使所述被测物发射检测光束。

第二方面，本实用新型提供了一种检测装置。

一种检测装置，包括：

承载台，所述承载台用于承载被测物；

光学系统，所述光学系统用于对所述被测物进行光学检测；

以及驱动装置，所述驱动装置用于带动所述光学系统移动以实现对被测物不同部位的成像；

所述光学系统包括：

第一探测器、第二探测器，所述第一探测器、第二探测器分别通过第一成像光路、第二成像光路对被测物进行聚焦取像；所述第一成像光路聚焦于所述被测物表面的第一检测高度，所述第二成像光路聚焦于所述被测物表面的第二检测高度；

楔形镜组，所述楔形镜组设于所述第一成像光路和/或所述第二成像光路中，用于改变所述第一成像光路和所述第二成像光路之间的光程差，以使所述第一检测高度和第二检测高度不同。

在一种技术方案中，所述楔形镜组包括两个楔形镜体，各所述楔形镜体均具有相背布置的直面和坡面；两个所述楔形镜体沿所述第一成像光路叠加，两个所述楔形镜体的坡面相向布置，且两个所述楔形镜体的直面倾斜于所述第一成像光路的光轴。

在一种技术方案中，至少一个所述楔形镜体沿自身坡面的倾斜延伸方向活动设置，活动设置的所述楔形镜体用于改变所述第一成像光路的光程，进而调节所述第一成像光路聚焦于所述被测物表面的第一检测高度。

在一种技术方案中，还包括压电驱动器，所述压电驱动器用于驱动至少一个所述楔形镜体沿自身坡面的倾斜延伸方向进行平移。

在一种技术方案中，所述被测物具有不同空间高度的第一层标识和第二层标识，所述空间高度为沿入射至待测物表面的光束的入射方向，所述被测物表面的第一检测高度被配置为所述第一层标识的空间高度，所述第二检测高度被配置为所述第二层标识的空间高度。

在一种技术方案中，设所述第一层标识和所述第二层标识的空间高度差为δ，所述第一成像光路的放大倍率为N，则所述楔形镜组对所述第一成像光路的光程改变量被配置为L＝δ*N²。

在一种技术方案中，所述第一成像光路和所述第二成像光路的部分光路重合，在重合的光路上设有成像镜组和分光元件；所述成像镜组用于获取所述被测物表面发射检测光束，根据检测光束对待测物进行成像并产生出射光束；

所述分光元件用于分配一部分所述出射光束沿所述第一成像光路穿过所述楔形镜组至所述第一探测器，以及分配又一部分所述出射光束沿所述第二成像光路至所述第二探测器。

在一种技术方案中，所述成像镜组包括物镜和管镜。

在一种技术方案中，还包括照明光路，所述照明光路同轴设于所述第一成像光路和所述第二成像光路的一个光路中，或者环绕设于所述被测物的周侧；所述照明光路用于产生照明光束并照射所述被测物，以使所述被测物发射检测光束。

本实用新型的有益效果：

据上述光学系统，第一探测器、第二探测器能够分别通过第一成像光路、第二成像光路对被测物进行聚焦取像，而楔形镜组能够改变第一成像光路的光程，使得所述第一探测器和所述第二探测器能够聚焦于被测物表面的不同检测高度，从而在保证成像质量满足检测需求的同时，又能够对被测物的不同检测高度同时成像。相对于分时成像，本实用新型能够减少光学系统的移动次数和行程，有利于提高检测速度，并且不需对不同次的分时成像进行合成，能够降低对系统稳定性的要求。

附图说明

图1为本实用新型中一种光学系统的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型中一种光学系统的另一个实施例的结构示意图；

图中附图标记对应的特征名称列表：

10、底座；

20、成像镜组；21、物镜；22、管镜；

31、第一探测器；32、第二探测器；33、第一成像光路；34、第二成像光路；

40、分光元件；

50、楔形镜组；51、楔形镜体；52、直面；53、坡面；

61、当前层；62、前层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

在本实用新型的实施例中，光学系统设置的第一探测器3131、第二探测器3232能够分别通过第一成像光路33、第二成像光路34对被测物进行聚焦取像，所述第一成像光路33用于聚焦于所述被测物表面的第一检测高度，所述第二成像光路34用于聚焦于所述被测物表面的第二检测高度，而设于所述第一成像光路33中的楔形镜组50能够改变所述第一成像光路33的光程，使第一成像光路33和第二成像光路34之间形成光程差，以使所述第一检测高度和第二检测高度不同。这样，在保证成像质量的同时，又能够对被测物的不同检测高度同时成像，实现了被测物的不同厚度位置的同时成像，从而能够避免分时成像对测量速度的影响，并能够降低对系统稳定性的要求。

本实用新型中一种光学系统的实施例：

请参考图1，在一种实施例中，光学系统包括：第一探测器31、第二探测器32，第一探测器31、第二探测器32分别通过第一成像光路33、第二成像光路34对被测物进行聚焦取像；第一成像光路33聚焦于被测物表面的第一检测高度，第二成像光路34聚焦于被测物表面的第二检测高度；以及楔形镜组50，楔形镜组50设于第一成像光路33中(当然也可以设于第二成像光路34中)，用于改变第一成像光路33和第二成像光路34之间的光程差，以使第一检测高度和第二检测高度不同。

可以理解，光学系统中的第一探测器31、第二探测器32可以均配置为相机或其他感光器件，那么就可利用相机对被测物进行取像，从而获得对应的检测图像。

在一种具体实施例中，请参考图1，第一成像光路33和第二成像光路34的部分光路重合，在重合的光路上设有成像镜组20和分光元件40。第一成像光路33和第二成像光路34在图1中分别使用双点划线和实线表示以进行区分。

成像镜组20用于获取被测物表面发射检测光束，根据检测光束对待测物进行成像并产生出射光束。本领域技术人员应当理解，被测物表面发射的光束可以是镜面反射、漫反射、散射等，而成像处理可以包括滤波、汇聚、放大、准直、聚焦等，从而为后续探测器的取像创造条件。在一种实施例中，光学系统还包括照明光路，照明光路同轴设于第一成像光路33和第二成像光路34的一个光路中，或者环绕设于被测物的周侧；照明光路用于产生照明光束并照射被测物，以使被测物发射检测光束。本领域技术人员可以根据检测目的和检测环境选择照明方式，或者采用不同照明方式的组合。

在一种实施例中，光学系统中的成像镜组20包括物镜21和管镜22，采用了典型的显微成像镜组20结构，物镜21使用时朝向被测物，其作用是直接放大被测物；而管镜22也称为筒镜，用于对应于探测器布置，相当于采用人眼直接观察的显微镜中对应于观察者眼睛设置的目镜，能够将物镜21的成像再次放大，从而达到显微成像目的。成像镜组20对被测物进行聚焦成像的范围可以根据被测物的不同检测层的厚度差来确定，能够满足所需的成像清晰度即可。请参考图1，成像镜组20能够获取晶圆的当前层61和前层62发射检测光束，当前层61和前层62分别对应于被测物表面的第一检测高度和第二检测高度。

分光元件40用于分配一部分出射光束沿第一成像光路33穿过楔形镜组50至第一探测器31，以及分配又一部分出射光束沿第二成像光路34至第二探测器32。分光元件40可以采用分光棱镜或分光片，均能够同时实现透射和反射。在图1所示的具体实施例中，分光元件40采用分光棱镜，稳定性更好，不容易形成色散，更有利于保证成像质量。第一探测器31对应于第一成像光路33，第一成像光路33成L形，在分光元件40处形成90度转折；第二探测器32对应于第二成像光路34，第二成像光路34沿图1的上下方向延伸，第二成像光路34在图1中位于分光元件40以下的部分与第一成像光路33重合。光学系统工作时，从被测物表面发射检测光束经过物镜21和管镜22后产生的出射光束在分光元件40处被分配为两部分，一部分经过分光元件40的反射改变光路方向，进而进入第一探测器31，另一部分经过分光元件40的透射，进而进入第二探测器32。

在一种实施例中，楔形镜组50包括两个楔形镜体51，各楔形镜体51均具有相背布置的直面52和坡面53；两个楔形镜体51沿第一成像光路33叠加，两个楔形镜体51的坡面53相向布置，且两个楔形镜体51的直面52倾斜于第一成像光路33的光轴。上述倾斜于包含90度的情况，即第一成像光路33的光轴垂向楔形镜体51的直面52。在一种具体实施例中，对于楔形镜体51，沿着同时平行于楔形镜体51的直面52和坡面53的方向观察，楔形镜体51的形状为直角三角形。采用两个楔形镜体51配合使用可以避免使用单个楔形镜体51时导致的成像畸变，有利于保证成像质量，可以理解，移动其中一个楔形镜体51可以调节楔形镜组50的总体厚度，从而改变光程，另一个楔形镜体52起到光束偏转方向的补偿作用，使得穿过楔形镜组50的光束的传播方向不变，从而避免成像畸变。请参考图1，两个楔形镜体51的布置方向相差180度，使得两个楔形镜体51的坡面53相向布置且直面52垂直于第一成像光路33。

当然，某些情况下也可以反方向同时移动两个楔形镜体51来调节楔形镜组50的总体厚度，从而快速地将改变光路的光程，减少调节用时。

两个楔形镜体51的形状和参数相同，楔角的大小可以根据使用场景设置，例如根据第一成像光路33的光程改变量设置。楔角越小，则光程调节精度越高，但调节余量变小。如果晶圆需要被测量的上下两层的厚度差本来就很小，那么可以计算需要调节的范围是多少，再根据楔形镜体51的可移动范围来确定一个合适角度。如果不需要聚焦很准确，但楔形镜体51的可移动范围较小，则可以选择较大的楔角大小；反之，如果需要聚焦精度很高，但不需要很多的离焦量，则可以选择较小的楔角大小。另外，两个三角形的楔形镜体51之间的间距不需严格要求，在一些实施例中，两个三角形的楔形镜体51可以相互接触，也可以具有间距。

需要说明的是，上述第一成像光路33对应于分光元件40的反射光路，第二成像光路34对应于分光元件40的透射光路，楔形镜组50位于该反射光路上。而在其他实施例中，请参考图2，也可以将楔形镜组50设置在透射光路上，此时透射光路即第一成像光路33。

为了便于使不同的组成部分之间保持稳定的相对位置关系、提高系统稳定性，在一种实施方式中，光学系统包括底座10，成像镜组20、第一探测器31、第二探测器32、分光元件40和楔形镜组50安装在同一底座10上。在一种具体实施例中，底座10为板状结构，板状结构形成供成像镜组20、第一探测器31、第二探测器32、分光元件40和楔形镜组50安装的固定面。在一些其他实施例中，不同组成部分也可以设置到不同的底座10上，当然相互之间仍应保持固定的位置关系。另外，在一些其他实施例中，底座10也可以采用板状结构之外的其他形式，例如框架结构。

被测物(如晶圆)具有不同空间高度的第一层标识和第二层标识，这里的空间高度为沿入射至待测物表面的光束的入射方向，比如空间高度设定为晶圆表面的法线方向，被测物表面的第一检测高度被配置为第一层标识的空间高度，第二检测高度被配置为第二层标识的空间高度。当然某些情况下可将第一层标识和第二层标识以不同空间高度套设于待测物的表面。设第一层标识和第二层标识的空间高度差为δ，第一成像光路33的放大倍率为N，则楔形镜组50对第一成像光路33的光程改变量被配置为L＝δ*N²。上述第一成像光路33的放大倍率N也即成像镜组20的放大倍率。

成像镜组20的聚焦位置和楔形镜组50的厚度有关，上述公式能够根据光学系统的对应参数推导得出，据此实现对聚焦位置的精细调节。通过在第一成像光路33中增加上述楔形镜组50，第一探测器31、第二探测器32可分别对如图1中的前层62、当前层61清晰成像。比如，当前层61和前层62的高度差是已知的(在光刻工艺中是设定好的参数)，同时，第一成像光路33的放大倍率为N(也即成像镜组20的放大倍率)也是已知，那么，在光刻工艺确定的情况下，通过移动整个底座10，第二探测器32通过第二成像光路34对当前层61进行聚焦时(即第二探测器32对当前层61的成像清晰)，第一探测器31对前层62的成像可能处于不清晰状态，通过公式推算第一探测器31聚焦到前层62需要改变的光程，此时通过设置合适的楔形镜体51(对应合适的光程改变量L)，即可使第一探测器31通过第一成像光路33对前层62进行聚焦(即，使第一探测器31对前层62的成像清晰)。

被测物的成像过程类似于能够更换镜头的单反相机，通过调节镜头与感光元件的距离，就能够在一定范围内实现对成像的调整。但是，要想对更远或更近的物体清晰成像，就要换镜头。被测物晶圆到物镜21的距离a有变化，那么被测物经成像镜组20后的成像位置b也会有变化，a与b有一一对应的共轭(即成像清晰)关系，a改变一点，b也就变一点，但是改变太多而超出系统本身的成像能力时，将无法形成清晰的成像。

针对不同的晶圆，当前层61与前层62的高度差可以不同，对于该情况，在一种实施例中，至少一个楔形镜体51沿自身坡面53的倾斜延伸方向活动设置，活动设置的楔形镜体51用于改变第一成像光路33的光程，进而调节第一成像光路33聚焦于被测物表面的第一检测高度。在一种具体实施例中，光学系统还包括压电驱动器(图中省略，可以采用现有结构)，压电驱动器用于驱动至少一个楔形镜体51沿自身坡面53的倾斜延伸方向进行平移，图1中的双向箭头用于指示楔形镜体51的移动方向。具体地，其中一个楔形镜体51可以沿楔形镜体51的坡面53的坡度延伸方向导向设置，并与压电驱动器连接，通过控制压电驱动器的驱动量，即可精确地控制对应的楔形镜体51平移，使光束穿过楔形镜组50的厚度不同，进而改变第一探测器31与管镜22之间的光程，从而改变第一探测器31的聚焦位置，可以适应不同的被测物。在一些其他实施例中，可以将楔形镜组50中的两个楔形镜体51均连接驱动装置，根据移动量需求控制其中至少一个楔形镜体51平移。另外，在一些其他实施例中，根据楔形镜体51的移动量需求和精度要求，楔形镜体51也可以采用其他驱动方式，例如直线电机驱动方式、丝杠螺母机构驱动方式、齿轮齿条驱动方式等。

使用上述光学系统的过程中，对于被测物检测参数相对固定的情况，可以采用固定的楔形镜组50，如被测物检测参数发生较大变化，则可以更换不同的楔形镜组50。另外，也可以采用可调的楔形镜组50，可调的楔形镜组50的定义是至少一个楔形镜体51沿坡面53的倾斜延伸方向活动设置。这样，通过楔形镜组50改变第一成像光路33的光程，第一探测器31和第二探测器32能够分别具有不同的检测高度，实现了被测物的不同厚度位置的同时成像，从而不需要进行分时成像，相对于分时成像，能够提高检测速度，并且不需对不同次的分时成像进行合成，能够降低对系统稳定性的要求。

本实用新型中一种检测装置的实施例：检测装置包括：承载台，承载台用于承载被测物；光学系统，光学系统用于对被测物成像进行光学检测；以及驱动装置，驱动装置用于带动光学系统移动以实现对被测物的成像；其中，光学系统的结构与上述光学系统的任一实施例中的光学系统结构相同，此处不再赘述。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

第一探测器、第二探测器，所述第一探测器、第二探测器分别用于通过第一成像光路、第二成像光路对被测物进行聚焦成像；所述第一成像光路聚焦于所述被测物表面的第一检测高度，所述第二成像光路聚焦于所述被测物表面的第二检测高度；

楔形镜组，所述楔形镜组设于所述第一成像光路和/或第二成像光路中，用于改变所述第一成像光路和第二成像光路之间的光程差，以使所述第一检测高度和第二检测高度不同。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述楔形镜组包括两个楔形镜体，各所述楔形镜体均具有相背布置的直面和坡面；两个所述楔形镜体沿所述第一成像光路叠加，两个所述楔形镜体的坡面相对布置，且两个所述楔形镜体的直面倾斜于所述第一成像光路的光轴。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，至少一个所述楔形镜体沿自身坡面的延伸方向活动设置，活动设置的所述楔形镜体用于改变所述第一成像光路的光程，进而调节所述第一成像光路聚焦于所述被测物表面的第一检测高度。

4.如权利要求2所述的光学系统，其特征在于，还包括压电驱动器，所述压电驱动器用于驱动至少一个所述楔形镜体沿自身坡面的延伸方向进行平移。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述被测物具有不同空间高度的第一层标识和第二层标识，所述空间高度为沿入射至待测物表面的光束的入射方向，所述被测物表面的第一检测高度被配置为所述第一层标识的空间高度，所述第二检测高度被配置为所述第二层标识的空间高度。

6.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于，设所述第一层标识和所述第二层标识的空间高度差为δ，所述第一成像光路的放大倍率为N，则所述楔形镜组对所述第一成像光路的光程改变量被配置为L＝δ*N²。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一成像光路和所述第二成像光路的部分光路重合，在重合的光路上设有成像镜组和分光元件；所述成像镜组用于获取所述被测物表面发射的检测光束，根据检测光束对待测物进行成像，并产生出射光束；

所述分光元件用于分配一部分所述出射光束沿所述第一成像光路穿过所述楔形镜组至所述第一探测器，以及分配又一部分所述出射光束沿所述第二成像光路至所述第二探测器。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述成像镜组包括物镜和管镜。

9.如权利要求1至8中任一项所述的光学系统，其特征在于，还包括照明光路，所述照明光路同轴设于所述第一成像光路和所述第二成像光路的一个光路中，或者环绕设于所述被测物的周侧；所述照明光路用于产生照明光束并照射所述被测物，以使所述被测物发射检测光束。

10.一种检测装置，其特征在于，包括：

承载台，所述承载台用于承载被测物；

光学系统，所述光学系统用于对所述被测物进行光学检测，所述光学系统为权利要求1至9中任一项所述的光学系统；

以及驱动装置，所述驱动装置用于带动所述光学系统移动以实现对被测物不同部位的成像。